水下井口头疲劳寿命分析

刘 续，吴永良，张文学，李文博

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司石油工程技术研究院，上海 200120）

水下井口头疲劳寿命分析

刘 续，吴永良，张文学，李文博

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司石油工程技术研究院，上海 200120）

在海洋钻井和生产过程中，水下井口头系统作为钻井和生产设施的基础装备，其疲劳寿命相当重要。以“勘探三号”平台为假设作业平台，以南海某油田海域作为工程实例取值，应用MOSES软件建立隔水管力学计算MOSES模型，得到求解出隔水管下端挠性接头受到的作用力；然后应用ABAQUS有限元分析软件ABAQUS建立水下井口头的有限元模型，根据研究海域土壤P-y曲线线性化，采用ABAQUS非线性弹簧模拟了土壤与水下井口头的相互作用，对水下井口头进行了疲劳寿命计算。计算结果表明，其疲劳寿命满足相关规范和DNV有关水下井口头的设计和使用要求。

水下井口头；MOSES；ABAQUS；P-y曲线；疲劳寿命

随着我国海洋油气勘探开发步伐不断加快，海洋石油技术装备也需要不断完善和创新。水下井口头系统作为海上油气田勘探开发的枢纽，其上端支撑着水下防喷器组或水下采油树等设备，下端连接着导管和各种尺寸规格的套管，是浮式钻井装置钻井和水下生产系统中的核心设备之一。

长期以来，水下井口头的关键技术主要被美国VETCO、DRIL-QUIP和FMC三大厂商所垄断。我国对深水油气的开采起步晚，技术不全面，对深水井口头的开发受限于国外的技术垄断，目前国内水下井口头系统尚处于工程化研制阶段[1]。开展深水井口头的研究是深水石油开采的重要步骤，深水井口头技术的国产化对于推动我国海洋强国建设有着十分重要的意义。为了确保水下井口头系统的安全性和可靠性，需要对水下井口头进行疲劳寿命分析。

1 分析内容和方法

1.1 分析内容

图1 江钻高压水下井口系统

在海洋油气田开发过程中，水下井口头系统作为水下生产设施的关键装备，可承受着套管柱重量、钻完井设备以及生产设施所产生的载荷[2]。江钻股份18-3/4"高压水下井口头系统如图1所示，主要包括：永久导向基座（PGB）、30"导管头、18-3/4"高压井口头、13-3/8"套管挂、9-5/8"套管挂、防磨套筒、13-3/8"防磨补心、9-5/8"防磨补心、金属密封总成、防腐帽、30"导管头下放工具、18-3/4"高压井口头下放工具、单程下放工具、弹簧下放工具等[3]。本文研究主要对18-3/4"高压井口头本体进行疲劳寿命分析，参考可能作业海域和作业条件，验证产品的疲劳寿命是否满足相关规范和DNV有关水下井口头的设计和使用要求。

1.2 主要性能指标

江钻股份18-3/4"水下井口头系统主要性能指标如下[3]，适用于含H2S的工况环境：

设计寿命：25年，

压力等级：10 000 psi（1 psi = 6.895 kPa），

温度等级：U（-18～121 ℃），

设计水深：300 m，

最大弯矩：4 500 kN·m，

产品性能等级：PR2，

产品规范等级：PSL-3，

NACE防腐蚀要求：符合。

1.3 分析方法

高压水下井口头本体疲劳寿命分析方法如下：

收集南海一年一遇和百年一遇的风、波浪和洋流等环境参数，选取有代表性的南海某油田海域作为工程实例取值对象；

选择“勘探三号”半潜式钻井平台作为假想作业平台，提取平台和有关设备参数；

应用MOSES软件建立隔水管力学计算MOSES模型，求解出隔水管下端挠性接头受到的作用力；

应用ABAQUS建立水下井口头的有限元分析模型，考虑土壤边界条件和固井水泥等的模拟，分别分析计算钻井、完井、生产等工况下高压井口头在海洋环境因素作用下产生的各种交变载荷和静载荷；

根据以上各种工况下水下井口头的受力情况，选取钻井工况作为水下井口头疲劳寿命分析的典型工况；再根据水下井口头在钻井工况时计算出在波浪载荷作用下的应力应变；然后由S-N曲线分别计算出水下井口头在该工况时的疲劳损伤度和疲劳寿命，从而验证它的疲劳寿命是否满足相关规范和DNV有关水下井口头的设计和使用要求。

2 分析模型

2.1 力学模型

深水钻井一般由浮式钻井装置（半潜式钻井平台或钻井船）完成。由浮式钻井装置、隔水管、水下BOP组和水下井口头等连结组成，如图2所示。隔水管下部与水下BOP组及水下井口采用球节点（挠性接头）相连，隔水管上部与浮式钻井装置采用球节点（转喷器球接头）相连。由于隔水管的长度远大于其直径，将隔水管视为承受横向波流力、上下端铰接的梁。假定波浪、海流共同沿x方向传播，隔水管的质量分布和横截面特性沿高度方向是均匀的。坐标原点为隔水管底部球铰处，其力学分析模型如图3所示[4]。

图2 平台钻井作业时水下井口头系统整体受力示意图

图3 隔水管力学分析模型

2.2 基本假设

江钻股份18-3/4"水下井口头本体疲劳寿命分析选择“勘探三号”半潜式钻井平台作为假想作业平台，提取平台和有关设备参数[5]，“勘探三号”平台所用隔水管及有关参数见表1。

表1 隔水管及有关参数

2.3 环境参数

研究选择南海某油田海域作为环境参数取值对象，该处海域水深260～300 m，海图基准面低于平均海平面1.18 m，表面海水温度为20～29.1 ℃，海底海水温度为11.69～13.5 ℃，常年气温15.9～35.9 ℃，平均气温夏季为32.3 ℃，冬季为21 ℃。根据该海域环境设计条件资料计算出隔水管所受的环境载荷，该油田海域1年和100年重现期的环境载荷参数见表2[6]。

表2 南海某海域环境载荷参数

3 有限元模型

3.1 模型建立

在海洋钻井和生产过程中，18-3/4"水下井口头座放在30"导管头内，使整个井形成一个耐压整体，以及承受外部载荷。隔水管和防喷器组通过H-4连接器和VX钢圈连接和密封到井口头顶部。30"导管用固井水泥固定在地层上，30"导管和20"套管在泥面以下用固井水泥固定，30"导管鞋以下的20"套管用固井水泥固定在地层上。根据计算精度需求，采用有限元分析软件ABAQUS建立水下井口头系统有限元分析模型如图4所示。它由30"导管头和导管、18-3/4"水下井口头、20"套管以及固井水泥环等组成。

3.2 材料特性

图4 水下井口头系统有限元模型

水下井口头采用单轴拉伸试验测定的弹塑性参数来计算，其主要参数特征见表3，水下井口头的真实应力与塑性应变的关系如图5所示[7]。选取水下井口头的安全系数为1.5，则其许用应力为366 MPa。

表3 水下井口头材料参数特征

图5 真实应力与塑性应变的关系

3.3 网格划分

在计算分析中，把高压水下井口头看成变形体，采用C3D8R单元类型，单元数量为85 754，水下井口头系统计算单元数量为245 284，对应的有限元模型如图6所示。

3.4 边界约束

图6 水下井口头系统有限元计算模型

为了简化计算，提高计算效率，对水下防喷器组不做模拟，根据“勘探三号”平台有关设备参数资料，“勘探三号”平台水下BOP组挠性接头球铰到井口头距离为9.27 m，因此在井口头上端面9.27 m处建立参考点RP-2（挠性接头球位置），把高压水下井口头上端面与挠性接头球位置RP-2进行MPC（Multi-point Constraints，多点约束）约束；海洋平台在水下BOP作业试压时，海底泥线以下30"导管、20"套管、30"导管与20"套管间的水泥环以及30"导管外面的用固井水泥的下端面与地层牢固固定接触，可将其下端面设为固定约束。

考虑到土壤与水泥环之间侧面的相互作用，研究采用ABAQUS非线性弹簧对水下井口头系统进行约束，弹簧刚度值根据土壤P-y曲线（桩侧土抗力—位移曲线）线性化计算获得，研究区域土壤资料见表4。为了提高计算效率，选择固井水泥环模拟长度为9 m，考虑1 m高度用一组非线性弹簧约束，混凝土长度上共设9组弹簧。

表4 南海某海域土壤参数资料

3.5 计算载荷分析

完井、修井、关井、封井、生产等工况时水下井口头所受到的波浪力交变载荷较小，可忽略不计；而水下井口头在交变应力作用下的疲劳损伤是一个累积的过程；因此，水下井口头疲劳寿命应按照钻井工况进行研究。钻井作业时，根据力学模型计算分析得到防喷器顶部波浪力载荷，在防喷器上部挠性接头RP-2点施加X方向集中力，变化幅值大小为24.039 kN，Z方向集中力，变化幅值大小为262.723 kN。

4 疲劳寿命分析

4.1 波浪离散图

水下井口头在某一油气田海域工作时，其疲劳寿命由工作期间所遭遇海况的长期分布确定。中国南海某油田海域的波浪离散图见表5，计算该水下井口头的疲劳损伤寿命。

4.2 S-N曲线选取

江钻股份18-3/4"高压水下井口头本体选用的材料牌号为8630型钢材，材料特性：屈服应力586 MPa，杨氏模量E = 209 GPa；泊松比μ = 0.295。

分析选用DNVGL-RP-0005 2014“Fatigue design of offshore steel structures”中给出的在海水中并有阴极保护的S-N曲线，其回归公式如下[8]：

式中：Δσ为应力幅；m为疲劳试验得到的S-N曲线参数；tref为参照厚度，非管状节点焊接连接的参照厚度为25 mm；t为最可能发生裂纹的厚度，当厚度小于参照厚度时，取t = tref。

由于结构的几何不连续性导致了热点应力的产生，因此在计算水下井口头疲劳寿命时考虑分析节点的应力集中系数SCF的影响[9]。由于热点应力的位置不同，SCF取值也不同，其水下井口头热点应力位置图如图7所示，其对应的热点参数见表6。

根据井口头热点应力位于母材热点位置1，因此选取DNV规范海水中受阴极保护的S-N曲线的B1曲线对关键节点的热点应力进行疲劳分析，其B1曲线回归公式为：

表5 南海某油田海域波高及周期的联合概率分布

图7 热点位置图

表6 热点参数

S-N曲线的B1曲线参数见表7，曲线如图8所示。

表7 海水中阴极保护的S-N曲线中B1曲线参数

4.3 疲劳寿命计算

根据水下井口头在钻井工况时受力情况计算其在疲劳载荷作用下的应力应变情况，然后由S-N曲线计算钻井工况下水下井口头的疲劳损伤度和疲劳寿命，见表8。

表8 钻井工况下井口头疲劳损伤度和疲劳寿命

图8 非管节点海水中受阴极保护的S-N曲线

从表8中可以看出，该水下井口头在作业水深300 m左右时最小疲劳寿命为5 471.86年，其疲劳损伤度为1.83E-4。所以，本水下井口头在作业水深300 m时的疲劳寿命能满足相关规范和DNV有关水下井口头的设计和使用要求。

5 结论

最小疲劳寿命为5 471.86年，其疲劳损伤度为1.83E-4，其在作业水深300 m时的疲劳寿命能满足相关规范和DNV有关高压水下井口头的设计和使用要求。

[1]王定亚，邓平，刘文霄.海洋水下井口和采油装备技术现状及发展方向[J].石油机械，2011，39（1）：75-79.

[2]API-17D. Design and Operation of Subsea Production Systems-Subsea Wellhead and Tree Equipment [S]. 2011.

[3]江汉石油钻头股份有限公司.水下井口头系统设计基础[R]. 2016.

[4]魏路.西非JDZ-2-1井深水井口稳定性分析研究[D].青岛：中国石油大学，2009：16-22.

[5]中石化海洋石油工程有限公司钻井分公司.“勘探三号”平台操作手册[R]. 2009.

[6]CNOOC. Design Environmental Condition for LH4-1 Development Feed[R]. 2009.

[7]江汉石油钻头股份有限公司.水下井口头系统材料技术规格书[R]. 2016.

[8]DNVGL-RP-0005. Fatigue Design of Offshore Steel Structures[S]. 2014.

[9]DNVGL-RP-0142. Recommended Practice of Subsea Wellhead Fatigue Analysis [S]. 2015.

研究通过对江钻股份18-3/4"水下井口头在300 m水深左右作业时进行了的疲劳寿命分析研究，考虑了土壤的作用，形成如下结论：

（1）比较精确地模拟了该18-3/4"水下井口头在海洋油气勘探和开发中的作业状态，恰当地建立了系统与土壤及系统与防喷器上部挠性接头作用约束。

（2）通过分析水下井口头在各种工况下受到的交变载荷分析，发现该水下井口头疲劳寿命应主要按照钻井工况进行分析。

（3）考虑了应力集中系数SCF的影响，根据热点位置的不同准确地选择S-N曲线，计算结果表明该水下井口头在作业水深300 m左右时

Fatigue Life Analysis of the Subsea Wellhead

LIU Xu, WU Yongliang, ZHANG Wenxue, LI Wenbo
（Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

In the process of offshore drilling and production, the subsea wellhead system is the basis for drilling and production facilities and equipments. Its fatigue life is quite important. With “KAN TAN 3” platform as the hypothetical platform, taking some oilfield in the South China Sea as an engineering example, the mechanical analysis model of riser was completed using software MOSES, and the force of flexible joint at the bottom of riser was calculated. Then ABAQUS finite element analysis software ABAQUS was used to establish the finite element model of the subsea wellhead system. The interaction between soil and subsea wellhead system was simulated based on the nonlinear spring of ABAQUS according to the P-y curve of the soil in the study area, and its fatigue life was calculated. The results show that fatigue life of the designed subsea wellhead can meet relevant specifications and design and application requirements on the subsea wellhead of DNV codes.

Subsea wellhead; MOSES; ABAQUS; P-y curve; fatigue life

TE54

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.101

1008-2336（2016）04-0101-07

2016-09-29；改回日期：2016-10-26

国家高技术研究发展计划（863计划）“海洋技术领域南海深水油气勘探开发关键技术与装备”（2013AA09A221）。

刘续，男，1990年生，助理工程师，从事海洋石油工程技术研究工作。

E-mail：liux.shhy@sinopec.com。